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科学定律中的自然和谐美
来源:音乐与自然 作者: 发布日期:08-05

  其实, 人类最初有关美的认识本來源於自然界, 比如结构上的对称、和谐和韵律美.自然界的美是客观的, 人类认识了這种客观存在, 又用艺术形式 (包括音乐形式) 來体现這种自然美, 比如音乐中音响的和谐、美的韵律等.這种美的艺术创造又反过來影响人类对自然界的认识, 促使科学家去寻找科学理论, 亦即自然规律中的和谐美, 在科学发展史中有許許多多這样的例证.

  化学元素周期律的发现是化学史上一个里程碑.在没有建立起周期表之前, 化学元素世界看起來杂乱无章一片混乱, 到了十九世纪上半叶, 人們已经知道的元素有五十多种, 這些元素之间的关系是什么?其性质有什么规律?這是当时的科学家很想知道的問题.从化学教科书中大家早已知道最后這个問题为俄国科学家门捷列夫的元素周期表所解决.但相当多的人并不知道, 在门捷列夫之前, 已有人作过周期表的尝试, 而启发他的不是别的, 正是音乐中的八音律.

  有个名叫纽兰兹 (1837—1898) 的人, 按照原子量从小到大排列当时已为人所知的各种元素, 发现每隔七个元素便有重复的物理化学性质出现, 這使他联想到音乐中的do、re、mi、fa、soo、la、si、do 的往复循环上升.於是他排出了一个八音律元素表, 八个元素一排.可惜的是当时有許多元素尚未被发现, 此外元素排列本身还有些复杂因素, 所以他的八音律元素表有不少缺欠.最后经过门捷列夫的调整和其他人的努力, 才有了今天這个元素周期表.门捷列夫的周期表基本上仍是八个一排, 其中为某些当时尚不知道的元素留下了空位.在门捷列夫的表中同一列的元素性质相似, 却又有差别, 就像音乐中音名相同, 八度不同的乐音, 尽管音阶中音的个数和周期表中的列数并不相同, 周期表中还有些复杂情况, 但周期表中旋转楼梯式的往复又升高的变化形式和音阶中不同八度中音符变化形式确实属同一类型.將周期律提出的部分功劳归於音乐看起來是毫不过份的.

  化学元素周期律所反映的是一种排列形式, 物理研究中与此不同, 常常要用数学公式來表示物理定律.在推导物理公式时, 不少物理学家常希望這公式能体现出一种数学形式的美.一些研究科学美学的人常常用麦克斯韦方程和哈密顿方程组为例.這兩个方程组一个描述的是电和磁的相互变化, 另一个描述的是力和运动的世界, 它們的形式是這样的:

  麦克斯韦方程:

  略

  哈密顿方程

  物理学家特别欣赏這些方程, 因为它們具有某种对称的美.

  這里不准备对上面這些符号作什么注解, 因为凡是学过高等数学物理的人都知道這些方程的含义, 而数理行当以外的人只需要欣赏這些符号串的形式.为了更能玩味其中的和谐美, 读者可以试着把方程组变成艺术图案, 比如等号可以作为图案中心, 可以看成心形, 把σ画成一个苹果, 把α看作一朵花.所有的英文字母都使用早期外文书刊中的大写花样.作了這种变化后, 只要懂点艺术的人都能看出其中的美: 既有对称的美, 又有对称破损的变化, 在其他科学领域中, 人們也不难找到這种数学公式的美.

  值得一提的是這公式的建立者麦克斯韦本人是个喜欢艺术的人, 在他建立這个方程组时, 美学原则在他思想中的确起了一定的作用.在麦克斯韦之前已有了一些电磁学的实验定律, 根据這些定律可以推出前三个方程.這一來, 式一、二、可成对, 第三个方程却成了单, 麦克斯韦从科学理论的和谐美出发, 假设了第四个方程的存在.這方程后來为实验所证明.這事实反过來证明和音乐世界一样, 科学世界中的确有着某种美的形式.

 
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